Antriebstechnik für Schneckenpumpen in Kläranlagen

• Schneckenpumpen sind heute eine gängige Lösung für den Abwasser- und Schlammtransport in Kläranlagen.
• Angetrieben werden die Pumpen von asynchronen Drehstrommotoren, die entweder über einen Riementrieb oder eine drehelastische Kupplung mit den Getrieben verbunden sind.
• Ein passend zur Anwendung projektiertes Getriebe gehört zur Grundvoraussetzung für einen störungsfreien Betrieb.

Das Funktionsprinzip von Schneckenpumpen war bereits in der Antike bekannt: Eine Schnecke rotiert um ihre Mittelachse und nimmt dabei das Fördergut in den Kammern zwischen Trog und Schnecke mit nach oben. Am Schneckenende läuft das Wasser schließlich aus der sich auflösenden Kammer aus. Die nach dem Erfinder, dem griechischen Ingenieur und Mathematiker Archimedes, benannte Archimedische Schnecke ist heute eine gängige Lösung für den Abwasser- und Schlammtransport in Kläranlagen. Ihre Unempfindlichkeit, auch gegenüber stark verunreinigtem Wasser (hoher Feststoffgehalt), sowie der wartungsarme Betrieb haben zu ihrer Verbreitung beigetragen.

Angetrieben werden Schneckenpumpen von asynchronen Drehstrommotoren, die entweder über einen Riementrieb oder eine drehelastische Kupplung mit den Getrieben verbunden sind. Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten wird die Variante mit Riemen als Stirnradgetriebe mit Motorstuhl oder als Kegelstirnradgetriebe mit einem separat aufgestelltem Fußmotor realisiert. Bei der Anbindung über eine Kupplung erfolgt die Montage des Motors entweder über einen Motoradapter oder als Fußbefestigung direkt auf dem Fundament. Die riemenlosen Antriebe haben eine höhere Energieeffizienz. Der Wegfall einer verschleißbehafteten Komponente reduziert zudem den Wartungsaufwand für den Betreiber.

Abtriebsseitig wird das Getriebe über eine elastische Kupplung mit der Schneckenwelle verbunden. Diese gleicht den Wellenversatz zwischen Getriebe- und Maschinenwelle aus und nimmt über Elastomerelemente gleichzeitig moderate Stöße auf. Die beim Abschalten des Motors durch das zurückdrängende Wasser auftretenden Rückwärtsbeschleunigungen werden zudem von einer Rücklaufsperre am Getriebe abgefangen. Fliehkraftabhebende Klemmköper heben bei Erreichen der Abhebedrehzahl vom Außenring der Rücklaufsperre ab und geben die Drehbewegung in Förderrichtung frei. Die Sperrwirkung der Klemmköper in die entgegengesetzte Drehrichtung verhindert das Rückwärtsdrehen der Schnecke. Neben dem Betrieb der Motoren am Netz kommen zunehmend Frequenzumrichter zur Drehzahloptimierung der Schneckenpumpe zum Einsatz. In Abhängigkeit vom Unterwasserspiegel wird so durch eine stufenlose Drehzahlregelung die Schneckenpumpe im wirkungsgradoptimierten Bereich betrieben.

Ein passend zur Anwendung projektiertes Getriebe gehört zur Grundvoraussetzung für einen störungsfreien Betrieb der Schneckenpumpe. So werden z. B. auf Basis des zu übertragenden Drehmoments sowie der ein- und abtreibenden Drehzahl die mechanischen Sicherheiten für Verzahnung, Wellen, Wälzlager etc. bestimmt. Die einzuhaltenden Mindestsicherheiten ergeben sich dabei aus der Charakteristik der Anwendung sowie der täglichen Betriebszeit. Auch die Frage, ob der Motor am Frequenzumrichter, mit Sanftanlaufgerät oder direkt am Netz betrieben wird, spielt bei der Dimensionierung des Getriebes eine Rolle. Die durch den Anlaufvorgang verursachten, kurzzeitigen Überlasten müssen ebenso berücksichtigt werden wie die sich unter normalen Betriebsbedingungen einstellenden Betriebslasten. Ein netzbetriebener Asynchronmotor läuft mit etwa dem 3-fachen Wert seines Nenndrehmomentes an. Beim Frequenzumrichter-Betrieb hingegen lässt sich der Anlaufstrom und damit das Anlaufmoment des Motors begrenzen. Die Belastung des Getriebes durch den Anlaufvorgang ist hierdurch deutlich weniger ausgeprägt als beim Netzbetrieb. Weiterhin sind ggf. auftretende Überlasten auf der eintreibenden Seite – wie sie etwa durch Verklemmen durch Fremdkörper auftreten – bei der Planung des Antriebskonzeptes zu berücksichtigen.

Ein weiterer Schritt auf dem Weg zum passenden Getriebe ist die Überprüfung der Thermik. Die Wärmegrenzleistung des projektierten Getriebes muss größer als die Betriebsleistung an der einreibenden Welle sein. Unter Wärmegrenzleistung versteht man dabei die Leistung, die mit einem Getriebe übertragen werden kann, ohne dass eine definierte Öltemperatur überschritten wird. Zahlreiche Faktoren wie die Umgebungstemperatur, Schmierstoffart und -viskosität, Einschaltdauer usw. bestimmen die zulässige Wärmegrenzleistung. Sollte diese nicht ausreichen, um die benötigte Leistung zu übertragen, muss auf eine Kühlung zurückgegriffen werden. Bei Schneckenpumpen kommen dann vor allem Umlaufkühlanlagen als Öl-Wasser- oder Öl-Luftkühler zum Einsatz.

Wie zuvor gezeigt, bestimmen viele Einflussfaktoren die Auswahl eines Schneckenpumpen-Getriebes. Eine mangelnde Projektierung sowie ein Betrieb der Pumpen außerhalb der ursprünglich zugrunde gelegten Auslegungsdaten wirken sich negativ auf die Verfügbarkeit der Antriebe aus. Aber auch ein bestens zur Anwendung ausgewähltes Getriebe unterliegt mit zunehmender Betriebszeit einem natürlichen Verschleiß, der bei Nichterkennen zu einem Totalausfall führen kann. So ist etwa der Getriebeschmierstoff bei der sich im Betrieb einstellenden Ölbadtemperatur für eine definierte Lebensdauer bemessen. Wird diese überschritten, kann eine ausreichende Schmierung nicht mehr sichergestellt werden – Reibung und damit einhergehender Verschleiß nehmen zu. Damit Schäden frühzeitig erkannt werden und die Schneckenpumpe nicht unerwartet ausfällt, stehen den Betreibern verschiedene Methoden zur Zustandserfassung der Antriebstechnik zur Verfügung – hierzu zählen beispielsweise die Endoskopie und Ölanalyse, aber auch kontinuierliche Condition-Monitoring-Methoden, bei denen der Zustand der Antriebstechnik über Sensoren ermittelt wird. Auf dieser Basis lässt sich dann entscheiden, ob eine Reparatur oder gar ein Retrofit der Antriebseinheit notwendig ist.